運(yùn)用系統(tǒng)工程方法進(jìn)行航空發(fā)動(dòng)機(jī)單元化布局設(shè)計(jì)

雷凱淞，王云龍

（中國(guó)航空規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京 100120）

1 前言

隨著我國(guó)工業(yè)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，自20世紀(jì)80年代開(kāi)始，我國(guó)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)國(guó)產(chǎn)化進(jìn)度便逐漸加快，基本具備了獨(dú)立自主設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、試驗(yàn)的能力。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)更是趁熱打鐵，已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域獲得了令人矚目的關(guān)鍵突破。

然而，隨著現(xiàn)代高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)的各類(lèi)苛刻要求，加之我國(guó)近年來(lái)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量和種類(lèi)的急需，導(dǎo)致的發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)研任務(wù)提升，國(guó)內(nèi)軍工企業(yè)面臨著精細(xì)化生產(chǎn)的挑戰(zhàn)，在這點(diǎn)上，我們?nèi)耘c歐美國(guó)家存在較大差距，其中：（1）組織模式問(wèn)題。組織模式仍然是“大而全”的模式。（2）專(zhuān)業(yè)化程度低。大部分附加值低的零件自制，導(dǎo)致專(zhuān)業(yè)化程度低，先進(jìn)制造水平很難提升。（3）生產(chǎn)線布局不夠精益。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)線對(duì)精細(xì)化生產(chǎn)和良率控制仍有提升的空間。（4）生產(chǎn)效率低。由于組織模式、管理水平等方面落后，導(dǎo)致產(chǎn)品供貨周期長(zhǎng)，庫(kù)存占用巨大，質(zhì)量問(wèn)題多，返工或報(bào)廢率高，生產(chǎn)效率低下。

因此，針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件批生產(chǎn)，本文運(yùn)用系統(tǒng)工程方法論研究單元化設(shè)計(jì)方法，以促進(jìn)航發(fā)制造業(yè)推進(jìn)精益制造的效果，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的工業(yè)生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)價(jià)值。

2 航空發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)組織模式

我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)既屬于軍工行業(yè)，也屬于機(jī)械制造行業(yè)，它既要兼顧軍工系統(tǒng)的指令性要求，保障國(guó)家軍事系統(tǒng)的武器裝備需求，同時(shí)，作為市場(chǎng)化的企業(yè)也要受市場(chǎng)規(guī)律的影響。

通過(guò)調(diào)研國(guó)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)的發(fā)展模式，發(fā)現(xiàn)國(guó)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)都不是單一主營(yíng)業(yè)務(wù)的發(fā)展思維。我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)各主機(jī)廠也呈現(xiàn)多元化發(fā)展態(tài)勢(shì)，承擔(dān)的產(chǎn)品不僅有軍工型號(hào)產(chǎn)品，還有民機(jī)轉(zhuǎn)包產(chǎn)品，甚至非航產(chǎn)品。

下面從軍工型號(hào)產(chǎn)品、民機(jī)/轉(zhuǎn)包產(chǎn)品、非航產(chǎn)品3個(gè)方面來(lái)進(jìn)行分析。

2.1 軍工型號(hào)產(chǎn)品

目前，我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)生產(chǎn)管理水平較發(fā)達(dá)國(guó)家仍有較大差距，多數(shù)為科研試制與批生產(chǎn)混線生產(chǎn)，一方面，科研試制產(chǎn)品工藝不確定，需要長(zhǎng)時(shí)間的技術(shù)摸索和工藝研究，占機(jī)時(shí)間長(zhǎng)，加工過(guò)程反復(fù)多；另一方面，批生產(chǎn)工藝流程相對(duì)固定，加工質(zhì)量相對(duì)穩(wěn)定度高，部分零件如葉片，具有一定的節(jié)拍性?；炀€生產(chǎn)狀態(tài)下，科研試制不能固定設(shè)備進(jìn)行加工參數(shù)摸索，成批生產(chǎn)的生產(chǎn)計(jì)劃被科研試制打亂，不能穩(wěn)定生產(chǎn)，兩者互相掣肘。在生產(chǎn)線規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，盡量分線重組。

科研試制部分的生產(chǎn)模式應(yīng)分為兩部分，一部分為工藝技術(shù)研究，用于新材料的工藝性能參數(shù)的確定，該部分不涉及生產(chǎn)綱領(lǐng)和具體零組件，主要為后續(xù)加工提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，因此，該部分宜采用基于成組技術(shù)的生產(chǎn)組織模式，設(shè)備單元化布置與現(xiàn)場(chǎng)辦公相對(duì)集中；另一部分為科研試制，用于新結(jié)構(gòu)、新工藝的試制生產(chǎn)，由于工藝流程的不確定性，該部分宜采用基于敏捷制造技術(shù)的生產(chǎn)組織模式，不以物流路線最小化為原則，而更注重于設(shè)備間的可重構(gòu)性。

批生產(chǎn)部分的生產(chǎn)模式宜采用基于成組技術(shù)的生產(chǎn)組織模式，車(chē)間布置按產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、工藝的相似性分類(lèi)成族/組，然后按族/組擬定成組工藝規(guī)程、選擇制造資源、布置生產(chǎn)單元。隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制生產(chǎn)，軍方采購(gòu)國(guó)產(chǎn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)量逐漸增加，軍機(jī)批生產(chǎn)會(huì)進(jìn)入單件中批量的生產(chǎn)規(guī)模，這個(gè)階段宜采用基于精益加工單元生產(chǎn)的生產(chǎn)組織模式。

2.2 民機(jī)/轉(zhuǎn)包產(chǎn)品

這里的民機(jī)指的是現(xiàn)有的航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)分包國(guó)產(chǎn)民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)部分零組件的加工裝配任務(wù)。民機(jī)/轉(zhuǎn)包產(chǎn)品在一段時(shí)間內(nèi)與軍工型號(hào)產(chǎn)品屬于同一種狀態(tài)，即單件小批量狀態(tài)。這個(gè)階段宜采用基于成組技術(shù)的生產(chǎn)組織模式。

但隨著民機(jī)的逐步發(fā)展，產(chǎn)品零件的工藝相對(duì)固定，對(duì)生產(chǎn)線的柔性化要求逐漸降低，而向著專(zhuān)業(yè)化轉(zhuǎn)移，這個(gè)階段宜采用基于精益生產(chǎn)技術(shù)的生產(chǎn)組織模式。這個(gè)階段轉(zhuǎn)包產(chǎn)品依然存在，且仍屬于單件小批量狀態(tài)，訂貨周期相對(duì)不穩(wěn)定；民機(jī)則屬于多件大批量狀態(tài)，訂貨相對(duì)穩(wěn)定；但兩者的質(zhì)量要求、技術(shù)控制要求基本一致，工藝流程都較為固定，不存在長(zhǎng)時(shí)間占用設(shè)備的情況。無(wú)論從企業(yè)收益的角度出發(fā)，還是從技術(shù)學(xué)習(xí)儲(chǔ)備的角度出發(fā)，將轉(zhuǎn)包產(chǎn)品單獨(dú)建線的必要性不足，較為可行的方法是并線生產(chǎn)，提升企業(yè)管理水平，將批生產(chǎn)線與敏捷制造系統(tǒng)結(jié)合。

2.3 非航產(chǎn)品

非航產(chǎn)品目前主要為航改燃機(jī)，尚處于研制階段。由于航改燃機(jī)為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的衍生品，需待航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)技術(shù)逐漸成熟后才能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定生產(chǎn)，因此，在相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)仍將處于小批研制階段，宜采用基于成組布置的生產(chǎn)模式。見(jiàn)表1。

表1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)生產(chǎn)模式

機(jī)的制造是典型的離散型制造，其產(chǎn)品零件結(jié)構(gòu)和工藝特點(diǎn)決定了并不是所有零件的加工都適合采用自動(dòng)化或數(shù)字化柔性生產(chǎn)線的模式，仍有大部分零件由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工藝復(fù)雜、工藝穩(wěn)定性和集成度低，以及產(chǎn)量較低的特點(diǎn)采用精益單元的模式更為適合。另外，受制于目前工藝技術(shù)和系統(tǒng)集成技術(shù)，系統(tǒng)集成后的自動(dòng)化生產(chǎn)線柔性較低也是制約航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造采用專(zhuān)業(yè)化成套生產(chǎn)模式（即采用自動(dòng)化生產(chǎn)線）的重要因素。

因此，目前大部分航空發(fā)動(dòng)機(jī)的制造仍然采用精益生產(chǎn)模式，面對(duì)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)與高精度的要求，完成航空發(fā)動(dòng)機(jī)的制造需要依賴(lài)多單元協(xié)作。

3 系統(tǒng)工程模型及方法論

基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）是目前工業(yè)界比較關(guān)注的熱點(diǎn)領(lǐng)域，在國(guó)外航空航天等領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，我國(guó)航空、航發(fā)領(lǐng)域也引入了MBSE方法論進(jìn)行試點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)化的、建?；男枨蟆⑿阅芤约翱焖夙憫?yīng)能力，使得其可以為設(shè)計(jì)、生產(chǎn)到驗(yàn)證的全過(guò)程提供充分的輔助和指導(dǎo)，其建模語(yǔ)言、建模思路和建模工具相較于傳統(tǒng)系統(tǒng)工程（TSE）在系統(tǒng)模型的集成化程度和可執(zhí)行程度有大幅度提高。

Harmony-SE是IBM公司推出的一套方法論，多用于系統(tǒng)、軟件的開(kāi)發(fā)，其通過(guò)3個(gè)互不交叉的過(guò)程來(lái)描述整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程，如圖1所示。

圖1 IBM Harmony 系統(tǒng)工程V模型

4 航空發(fā)動(dòng)機(jī)單元化布局設(shè)計(jì)技術(shù)體系構(gòu)建

本文運(yùn)用Harmony-SE的方法論來(lái)構(gòu)建單元化布局設(shè)計(jì)技術(shù)體系（如圖2）。

圖2 單元化布局設(shè)計(jì)技術(shù)體系模型

將產(chǎn)品/工藝分析作為需求分析階段，對(duì)搜集的產(chǎn)品、工藝和生產(chǎn)數(shù)據(jù)資料進(jìn)行分析和完善，轉(zhuǎn)化為下一階段可以識(shí)別的信息；將生產(chǎn)組織方式?jīng)Q策（P/Q分析）、生產(chǎn)規(guī)模確定作為系統(tǒng)功能分析階段，從而確定生產(chǎn)組織方式，選擇適合的生產(chǎn)線布局形式；確定生產(chǎn)組織方式后，將構(gòu)建生產(chǎn)單元作為設(shè)計(jì)綜合階段，完成虛擬單元的構(gòu)建。設(shè)計(jì)者在進(jìn)行上述各階段工作時(shí)需運(yùn)用設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行匹配，并擴(kuò)充知識(shí)庫(kù)。此部分為單元化設(shè)計(jì)的第一步，即產(chǎn)品族分類(lèi)與單元構(gòu)建。

在完成單元構(gòu)建后，形成固定的單元構(gòu)建基線作為系統(tǒng)框架基線，作為后續(xù)工作的基礎(chǔ)條件。

將單元內(nèi)布局和單元間布局類(lèi)比為軟件分析和軟件實(shí)現(xiàn)階段，初步完成工藝布局的設(shè)計(jì)；將單元內(nèi)物流仿真類(lèi)比為部件集成&測(cè)試階段，通過(guò)單元內(nèi)物流仿真修正單元內(nèi)布局；將單元間物流仿真類(lèi)比為子系統(tǒng)集成&測(cè)試階段，通過(guò)仿真修正單元間布局。設(shè)計(jì)者在進(jìn)行工藝布局設(shè)計(jì)和物流仿真過(guò)程中，也要運(yùn)用廠房設(shè)計(jì)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)來(lái)完成。此部分為單元化設(shè)計(jì)的第二步，即單元化布局及物流仿真。

最終完成單元化布局設(shè)計(jì)輸出設(shè)計(jì)文件，包括工藝布局圖、設(shè)備表、專(zhuān)業(yè)需求等內(nèi)容。

5 結(jié)語(yǔ)

本文首先對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)組織模式進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)研和分析，從政治、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、生產(chǎn)等多角度總結(jié)歸納了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)制造特點(diǎn)，從軍工型號(hào)產(chǎn)品、民機(jī)/轉(zhuǎn)包產(chǎn)品、非航產(chǎn)品分析了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)模式特點(diǎn)，從而根據(jù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)模式的發(fā)展及產(chǎn)品加工特點(diǎn)，提出了現(xiàn)階段仍采用單元化布局的客觀需求。其次，研究了美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）發(fā)布的《智能制造生態(tài)系統(tǒng)全景圖》和基于模型的系統(tǒng)工程Harmony-SE的方法論。最后，給出了本文研究的定位，并且基于Harmony-SE的方法論構(gòu)建了單元化布局設(shè)計(jì)技術(shù)體系。